1、 目錄一 清水吸收填料塔的設計31概述32設計方案的確定332.2 流程方案3 2.3 吸收劑的選擇4填料的選擇4二 工藝計算521平衡關系的確定52.2吸收劑用量及操作線的確定7（1） 吸收劑用量的確定7（2） 操作線方程的確定92.3物性參數 9 塔徑的計算122.5核算15噴淋密度的核算152.7 填料層的高度.16172.7.2 填料層高度19三 結果評價19學習心得22參考文獻23 前言根據混合氣體中個組分在某溶液溶劑中的溶解度不同而將氣體混合物分離的操作稱為氣體吸收，而吸收又是塔設備中的單元操作，屬于氣液傳質過程。化工生產中有些氣體直接排出會造成大氣的污染或者原料的浪費，為此出于對

2、環境的保護和經濟性兩方面的考慮，在很多場合需要對混合氣體的吸收處理。本說明書介紹的是清水吸收混合氣中氨的原理，操作過程。主要介紹了填料塔的設計、填料層的高度。填料塔是氣液呈連續接觸的氣液傳質設備，它的結構和安裝比板式塔簡單。塔的底部都有支撐板用來支撐填料，并允許氣液通過。支撐板上的填料有整齊和亂堆兩種方式。填料層的上方有液體分布裝置，從而使液體均勻噴灑于填料層上。在塔的設計中，填料的選擇至關重要，它關系到塔的高度，整個操作的費用的高低、經濟效益等。在一個吸收的單元操作中應該充分考慮填料、塔高等方面的選擇與計算，這才能使塔的效率最高，收益最大。關鍵詞：吸收、塔、填料 一、清水吸收填料吸收塔的設計

3、擬定1概述氣體吸收是利用氣體在液體中的溶解度差異來分離氣態均相混合物的一種單元操作。用于吸收的設備類型很多，如我們常見的填料塔、板式塔。填料塔是氣液成連續性接觸的氣液傳質設備。塔的底部有支撐板用來支撐填料，并允許氣液通過。支撐板上的填料有整砌和亂堆兩種方式。填料層的上方有液體分布裝置，從而使液體均勻噴灑于填料層上。當填料層較高時就可以通過分段來減少“壁流”現象的影響。2.設計方案的確定設備方案填料塔具有結構簡單、容易加工、生產能力大、壓降小、吸收效果好、操作彈性大等優點，所以在工業吸收操作中被廣泛應用。在本次課設中，要求用清水吸收氨氣，且氨氣含量較高，故選用填料塔。2.2 流程方案由于氨氣屬于

4、易溶氣體，設計條件中氨氣含量較高，逆流操作適用于平均推動力大的吸收，吸收劑利用率高，完成一定分離任務所需的傳質面積小，故選為逆流操作。但吸收劑用量特別大時，逆流容易引起液泛，所以需要通過調節液體流量來控制。根據設計任務書選用清水作為吸收劑。由于是逆流操作，需要泵將水抽到塔頂，因泵輸送的是清水，所以只需選用滿足工藝要求的普通水泵。氣體則需選用風機。泵和風機一個型號需配置兩臺，供替換使用。實際操作中的流量計和壓力表等也需要考慮出現問題以后不影響正常工作。2.3 吸收劑的選擇本次課設的題目中，已給出吸收劑清水，對于吸收空氣氨氣混合氣體選用清水有如下優點： 1. 溶解度大； 2選擇性好； 3. 揮發度

5、低； 4. 吸收劑具有較低的黏度，且不易產生泡沫； 5. 對設備腐蝕性小，無毒；6. 價廉、易得、化學穩定性好，便于再生，不以燃燒。填料的選擇填料的選擇要根據以下幾個方面來考慮： 1. 比表面積要大；2. 能提供大的流體通量；3. 填料層的壓降小；4. 填料的操作性能好；5. 液體的再分布性能要好；6. 要有足夠的機械強度；7. 價格低廉。二、 工藝計算整個工藝計算過程包括以下幾點： 1. 確定氣液平衡關系2. 確定吸收劑用量及操作線方程3. 準備計算所需的物性參數4. 填料的選擇以及確定塔徑及塔的流體力學性能計算5. 填料層高度的計算（一）平衡關系的確定由于原料氣組成中，氨氣占45%，含量較

6、高，用清水吸收時會產生明顯的熱效應，使塔內溫度顯著升高，對氣液平衡關系和吸收速度產生明顯影響，屬于非等溫吸收。在逆流吸收塔中氣液平衡關系是溫度的函數，溫度升高，平衡關系便要改變，所以，在這種情況下不能再利用亨利定律，應重新按照非等溫吸收的熱衡算，根據液相濃度和溫度的變化情況，定出實際的平衡關系。非等溫吸收的熱效應主要包括：吸收質與吸收劑混合時產生的混合熱，即溶解熱。氣體溶解時由氣態轉變為液態時放出的潛熱。化學反應熱。物理吸收計算中只考慮溶解熱，溶解熱分為積分溶解熱和微分溶解熱。在吸收過程中所用的吸收劑量很大，液相濃度一般變化較小，于是混合熱可考慮為微分溶解熱。在假定非等溫吸收的平衡關系時，為簡

7、化計算，通常做如下三點假設：忽略熱損失。忽略吸收劑帶走的熱量。忽略氣相帶走的熱量。以上假設使溶解熱全部用來液體溫度升高。在給定的設計條件中得知，要設計的是高濃度氣體的非等溫吸收。由塔頂到塔底的濃度及溫度變化較大，平衡關系的確定常采用近似法。在液相濃度范圍0-0.1內平均分為20份，濃度變化為=0.005。根據課程設計書中的推導過程及公式則有 H =349006250x（kJ/kmol） （2-1） t = t + (x-x) = t + x （2-2）式中：， 第i段兩端的液相溫度，； 第i段兩端的液相濃度差； 溶液流率，kmol/h(由于x很小，L可視為常數) 溶液的平均比熱(kJ/kmol

8、·K)H 溶質的微分溶解熱，kJ/Kmol(可取x與x間的平均值)在非等溫吸收操作中，吸收塔內液相的濃度和溫度分別由塔頂處的，增加到塔底處的，。在此液相濃度和溫度范圍內，隨著和t的變化，氣液兩相的平衡關系也在改變，即不同溫度對應著不同的平衡曲線。實際平衡關系可由溫度與濃度的關系得到，也可由經驗公式來確定。對于氨氣和水溶液的平衡物系，若選用經驗公式，可作如下計算： lg P = 1.1 lg x - （2-3）式中： 氨在水溶液中的摩爾分率 T 溶液的溫度， K P 溶液上方氨的平衡風壓 ，Hg由于是常壓下吸收，氣相可是為理想氣體，按道爾頓分壓定律，計算與x相平衡的y： = （2-4）

9、式中：P 操作壓強，mmHg應用以上公式計算所需數據列于下表:H(kJ/kmol)H(kJ/kmol)t()T(K)p(mmHg)034900250053477534650345253440034275 根據計算結果，以為橫坐標，為縱坐標，在坐標紙上繪出非等溫吸收的平衡關系曲線。由、關系，代入=0.45，對下表數據內插求得、0025=0.07938，（二）吸收劑用量及操作線的確定（1） 吸收劑用量的確定最小吸收劑用量 （2-5） （2-6）式中： V 惰性氣體摩爾流率，Kmol/h 最小吸收劑用量 ,Kmol/h Y,X 氣相和液相組成摩爾比：=； =； ； 下標： 1塔底 ； 2塔頂吸收劑用

10、量 由設計任務書知氨氣體積分率為45%，空氣的體積分率55% ；原料氣溫度35 ；吸收率不低于 94%；吸收劑為25地下水；操作壓力為89590Pa,個參數計算過程如下：由道爾頓分壓定律知 = 45% =0.45 所以Y=由回收率為94%得 Y= Y(1-94%)=0.0491 所以=因為所選用的吸收極為清水，所以x=X=0對表中數據采用插法求，結合數據表代入175= 采用內插法得所以X= 所以因為V=×1.5=13.3835，代入V值得：所以=13.3835，將上面求的的Y=0.8182， Y=0.0491，X=0代入解得：X=0.0576 代入公式 =（2） 操作線方程的確定對于

11、高濃度的氣體吸收，溶質含量一般用摩爾分率來表示。于是高濃度氣體的逆流吸收，其操作線方程為： =×+代入以上公式所需要的數據得到操作線方程為：×由以上操作線方程可得如下操作線的坐標：0代入由=0.45，與的關系內插求得的=0.0794，=0.54572，根據如上數據以為橫坐標，為縱坐標可繪得操作線，且將操作線和平衡線繪制到同一張坐標紙上。（三）物性參數（1）操作溫度（定性溫度） = 其中為塔頂溫度由設計任務書已知為25，需要從計算的平衡關系得到的的數據中內插求出，其值為所對應的溫度。內插求的=所以 = (2)物性參數的確定氣相的物性參數1. 分子量 因為=17，=29代入、得

12、到=/kmol , =/kmol所以/kmol2. 氨在空氣中的擴散系數由公式,其中已知=89590 ， 定性溫度代入數據解得=023cm/s已知公式：= ，混合氣體的平均粘度查課本得：×10,代入數據得：=,所以9由1中求得的分子量/kmol，結合理想氣體的密度計算公式：,其中,=273.15K,為定性溫度，為操作壓強，代入數據解得：=/m查化工工藝設計手冊，對定性溫度下的氨的溶解度插值得如下數據：溫度（）3040溶解度（g/g）S對以上數據內插求的氨的溶解度S=/g液相的物性參數先用公式求得塔頂和塔底的質量百分比濃度、，代入=0.0545，=0，=17kg/kmol，=19kg/

13、kmol,解得：=0.0516，=0所以=0.0258=2.58%根據查圖求得×10其中，×10代入數據解得83. 氨水的表面張力查化工工藝設計手冊表中只有20插值求出氨水20下表面張力，用水的表面張力隨溫度的變化，估算操作溫度下氨水的表面張力： 項目溫度 水的表面張力()2040為操作溫度下水的表面張力，由內插求得；為20水的表面張力，其值分別為，解得：已求的氨水的質量分水為2.58%，操作溫度為，計算氨水的摩爾分數為2.728%，經三次內插法求的氨水的比熱容為：×查的數據如下表氨水比熱容摩爾分數%溫度415.氨水的密度=，代入數據結算出平均密度查圖得氨水的密度

14、=982（四）填料的選擇與塔徑的計算填料的選取包括確定其種類、規格、及材質等（1）填料的種類顆粒填料包括拉西環、鮑爾環、階梯環等；規整填料主要有波紋填料、格柵填料、繞卷填料等。（2）填料的尺寸與塔徑的計算徑比D/d有一個下限值（一般為10），若徑比低于此下限值時，塔壁附近的填料層空隙率大而不均勻，氣流易走短路、液體壁流加劇。塑料材質的主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等，其特點是耐腐蝕性能好，質量輕，價格適中，但耐溫性及濕潤性較差。金屬材質有碳鋼、鋁鋁和鋁合金等，多用于操作溫度較高而無顯著腐蝕性的操作。陶瓷材質的材料耐腐蝕性較好，、耐濕性強，價格便宜，但易破損。在此設計中是常壓，溫度較低，但氨的含

15、量較大，氨水濃度將較高，為此選取的兩種陶瓷材質的填料特性見下表：填料種類規 格(mm)比表面積a(m/m)空隙率填料個N(/m)堆密度(kg/m)填料因子陶瓷拉西環50×50× 936×10457205陶瓷鮑爾環50×50×1106×10457130塔底氣體流量：=塔頂氣體流量：=所以=（其中各參數與上面數值相同）計算泛點氣速：塔頂液相質量流量塔底液相質量流量所以塔頂氣相質量流量塔底氣相質量流量所以因為，982，=993，對于拉西環=205，對于鮑爾環=13002152，由通用關聯圖查的得代入數據解得拉西環，鮑爾環鮑爾環塔徑計算：對于

16、拉西環對于鮑爾環圓整為1因為所以對于拉西環，=0.61，在容許的范圍內；對于鮑爾環，=0.582，在容許的范圍內。由通用關聯圖查得拉西環=0.033，鮑爾環，均在容許的操作范圍內。 綜上可知相同的瓷質拉西環和鮑爾環相比較其泛點氣速較低，單位高度壓降較大，所以顯然鮑爾環的性能優于拉西環，所以填料選用瓷質鮑爾環。 通用關聯圖（五）噴淋密度的核算填料塔中氣液兩相間的傳質主要是在填料表面流動的液膜上進行的。要形成液膜，填料表面必須被液體充分潤濕，而填料表面的潤濕狀況取決于塔內的液體噴淋密度及填料材質的表面潤濕性能。液體噴淋密度是指單位塔截面積上，單位時間內噴淋的液體體積，以U表示，單位為m3/(m2&

17、#183;h)。為保證填料層的充分潤濕，必須保證液體噴淋密度大于某一極限值，該極限值稱為最小噴淋密度，以Umin表示。式中 Umin最小噴淋密度，m3/m2s (LW)min 最小潤濕速率，m3/m·s 填料的比表面積，m2/m3最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。其值可由經驗公式計算，也可采用經驗值。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(LW)min為0.08 m3/（m·h）；對于直徑大于 75mm的散裝填料，取(LW)min =0.12 m3/（m·h）。因為所選用的填料為直徑50mm鮑爾環(LW)min=0.0

18、8 =110 D = 顯然>， 所以合格。（六）填料層高度（1）傳質系數的計算1有效面積（潤濕面積） （2-13）式中：單位體積填料的總表面積，/ t單位體積填料的總表面積，/ 液體的表面張力， c填料材質臨界表面張力， ，由化工原理課程設計中查得陶瓷c=61×10-3 液體通過塔截面的質量流率， 液相粘度， 液氣相密度， / g 重力加速度, 其中=110/，×10，c=61×10，=，×10，=982 /.代入數據解得: /2 氣相傳質系數的計算 由于氨水是易容氣體，屬于氣膜控制，無需計算液相傳質系數。氣相傳質系數的計算式：= （2-14）式中

19、：系數，一般環形填料和鞍形填料為5.23，小于15 氣體溫度， 溶質在氣相中的擴散系數， 氣體通過空塔截面的質量流率， 氣體粘度， 氣體密度， / 已知310695，/，=， /代入數據解得所以=，其中。所以=傳質單元數的計算，對于該函數值通過直接積分難以求得，故在此處選用圖解積分法求取其函數值。即以、為橫坐標，為縱坐標作圖，曲線所圍成的面積即為其函數值。其中，將從0到0.100分為20段取值（且代入塔底、塔頂的氣體摩爾分數，即、）并令=，由平衡線、操作線圖讀取數據得如下表格：由以上數據作圖利用圖解法得傳質單元總數93填料層高度填料層高度計算涉及物料衡算、傳質速率和相平衡關系。對于整個吸收塔，

20、氣、液的濃度分布都沿塔高變化，吸收速率也在變化。所以要在全塔范圍應用吸收速率關系式，就要采用微分方法，然后積分得到填料層的總高度。 選取傳質單元數法求解填料層高度。原料氣組成中氨氣含45%，屬于高濃度氣體的吸收。氣液流率沿塔高變化明顯，溶液熱效應大，氣液溫度升高，平衡線斜率也將沿塔高改變。氣液相吸收分系數并非常數，總吸收系數變化更為顯著，高濃度氣體的吸收填料層高度可用如下公式計算=1311 三 結果評價根據前一章對所選兩種填料進行各方面的計算分析，我們將在這一節根據計算結果確定所用填料。保證工藝計算流程及數據誤差在合理范圍內的前提下，引起誤差的原因與所選填料種類、在計算過程中選擇的參數有關。根

21、據工藝條件設計出的填料塔的主要參數如表3-1所示：表3-1 設計的填料塔數據題 目清水吸收填料塔吸收的設計流程布置逆流操作氣液平衡關系非等溫吸收塔高塔徑填料瓷質鮑爾環填料根據前面計算知清水吸收氨的吸收劑用量不大，一般不會引起液泛，所以選用逆流操作。逆流操作適用于平均推動力大的吸收，吸收劑利用率高，完成一定分離任務所需的傳質面積小 數據匯總表表吸收塔的吸收劑用量計算總表意義及符號結果混合氣體處理量G4470Nm3/h進塔氣相摩爾分率y1出塔氣相摩爾分率y28進塔液相摩爾分率x145最小液氣比（L/V）min23混合氣體的密度029kg/m3混合氣體的粘度吸收劑用量Lkmol/h表塔設備計算總表意

22、義及符號結果塔徑D1 m填料層高Z1.311m氣相總傳質單元高度 0.47 m氣相總傳質單元數2.79m表填料計算總表意義及符號結果填料直徑dp50mm空隙率填料比表面積a110m2/m3填料因子130 m-1主要符號說明1、英文字母 填料層的有效傳質比表面積（m²/m³）填料層的潤滑比表面積m²/m³填料當量直徑，mm填料直徑，mm；亨利系數，KPa擴散系數，m²/s； 塔徑;溶解度系數，kmol /(m³.KPa)重力加速度，kg/(m².h)液相傳質單元高度，m氣相傳質單元高度 ，m液相總傳質單元高度，m氣相總傳質單元

23、高度，m吸收液質量流速kg/(m².h)氣膜吸收系數, kmol /(m³.s.KPa);液相傳質單元數，無因次液體噴淋密度; 液相總傳質系數，無因次氣相傳質單元數，無因次分壓，KPa氣相總傳質系數，無因次空塔速度，m/s總壓，KPa惰性氣體流量，kmol/s氣體通用常數，kJ/(kmol.K)液膜吸收系數 ，kmol/(m23)液泛速度，m/s氣相總吸收系數kmol/(m².s)混合氣體體積流量，m3/s;氣相總吸收系數，kmol/(m2.s.kpa)氣膜吸收系數，kmol/(m2.s)吸收劑用量kmol/h; kmol/s是吸收液量 kmol/h吸收液質量流量kg/h；吸收液流量，m³/s2、下標液相的 氣相的1塔底 2塔頂x溶質組分在液相中的摩爾分率 無因次X溶質組分在氣相中的摩爾比 無因次y溶質組分在液相中的摩爾分率 無因次Y溶質組分在氣相中的摩爾比 無因次